最新 MEMS 慣性模塊，有助于克服應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)

1.前言

采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的慣性測(cè)量單元 (IMU) ，其定義就是一種系統(tǒng)級(jí)封裝芯片 (SiP) 。 其中包含一個(gè)加速儀機(jī)械感測(cè)組件、一個(gè)陀螺儀機(jī)械感測(cè)組件，還有一個(gè)能把加速和角速度轉(zhuǎn)換成可讀取格式的電子電路系統(tǒng)(也就是所謂的「腦部」)。 MEMS慣性測(cè)量單元已經(jīng)發(fā)展了幾十年，已應(yīng)用于部分利基市場(chǎng)。 不過(guò)一直要到MEMS技術(shù)達(dá)到一定成熟度，能支持低成本小型裝置，這類慣性測(cè)量單元廣泛建置在各種應(yīng)用的情況才得以大幅增加。

雖然對(duì)于簡(jiǎn)單動(dòng)作偵測(cè)、計(jì)步以及直式/橫式屏幕等需求沒(méi)那么高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這類慣性測(cè)量單元的效能表現(xiàn)已相當(dāng)令人滿意，傳感器應(yīng)用在可攜式、穿戴式與物聯(lián)網(wǎng)裝置崛起后，市場(chǎng)急迫須要進(jìn)一步提升效能并降低電流消耗。 最新一代的MEMS慣性測(cè)量單元能滿足這些需求。

接下來(lái)我們將討論 MEMS 慣性測(cè)量單元的最新技術(shù)進(jìn)展，介紹這類產(chǎn)品如何協(xié)助硬件與軟件工程師縮短開(kāi)發(fā)時(shí)程，克服長(zhǎng)期以來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)。

2.現(xiàn)代慣性測(cè)量單元如何滿足新興應(yīng)用充滿挑戰(zhàn)性的需求?

新興 MEMS 傳感器應(yīng)用的要求極高。 這代表現(xiàn)代的慣性測(cè)量單元必須盡量減少體積和耗電，同時(shí)還要提供高敏感度、卓越的準(zhǔn)確度、高分辨率和超低噪聲位準(zhǔn)。 下圖為一款2.5x3x0.8微型封裝現(xiàn)代慣性測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 ：一款現(xiàn)代慣性測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)圖(系統(tǒng)級(jí)封裝);尺寸： 2.5x3x0.86 mm ;封裝： LGA-14

除了上述要求，最新款慣性測(cè)量單元還提供嵌入式運(yùn)算法以協(xié)助工程人員縮短設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)時(shí)間。 表1列出一款現(xiàn)代慣性測(cè)量單元的主要參數(shù)及功能。

表1：現(xiàn)代慣性測(cè)量單元的主要規(guī)格; mdps 指每秒毫度

我們將討論以上表格里的部分功能，解釋它們?nèi)绾螀f(xié)助工程人員設(shè)計(jì)出適合他們產(chǎn)品的慣性測(cè)量單元，加速開(kāi)發(fā)出各種應(yīng)用。

2.1 裝置接口

有兩種接口 ( SPI 和 I2C ) 可提供設(shè)計(jì)人員更多彈性來(lái)讀取傳感器數(shù)據(jù)。 此外慣性測(cè)量單元也同時(shí)使用陀螺儀和加速儀，來(lái)支持光學(xué)防抖(OIS)和電子防抖(EIS)應(yīng)用。 因此，還有一個(gè)專用的輔助SPI接口來(lái)輸出光學(xué)防手震數(shù)據(jù)。

2.2影像穩(wěn)定意：電子防抖和光學(xué)防抖

MEMS 慣性測(cè)量單元最主要的好處之一，就是它的效能表現(xiàn)適合用在挑戰(zhàn)度高的光學(xué)防抖和電子防抖應(yīng)用。 圖2a和2b解釋了光學(xué)防手震聯(lián)機(jī)是如何作用。

圖2a：透過(guò)專用 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數(shù)據(jù)

在圖 2a 里面，裝置可透過(guò)專用的 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數(shù)據(jù)。 它能為光學(xué)防抖應(yīng)用提供專用的可配置信號(hào)處理路徑。 用戶接口(UI)信號(hào)處理路徑完全獨(dú)立于光學(xué)防抖的部分之外，可透過(guò)嵌入裝置內(nèi)部的FIFO功能加以讀取。

圖2b：光學(xué)防抖數(shù)據(jù)可直接或通過(guò)嵌入式 FIFO ，傳送到應(yīng)用程序處理器

圖2b說(shuō)明了慣性測(cè)量單元所提供的第二種解決方案。 光學(xué)防手震應(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù)，可直接傳送到主板上的應(yīng)用程序處理器(AP)。 它也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式FIFO，然后從FIFO讀取所有數(shù)據(jù)表單再提供給應(yīng)用程序處理器。

2.3 慣性測(cè)量單元提供低噪聲，可改善復(fù)雜應(yīng)用程序的準(zhǔn)確度

對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳感器數(shù)據(jù)的噪聲位準(zhǔn)必須非常低。 然而以下兩種極受歡迎應(yīng)用所需要的慣性測(cè)量單元，則必須提供極低噪聲位準(zhǔn)和高度的零偏穩(wěn)定性(bias stability)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)( AR )： 由于近年來(lái) MEMS 慣性測(cè)量單元技術(shù)有所進(jìn)展，便攜設(shè)備開(kāi)始對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能產(chǎn)生濃厚興趣。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，是將圖像、音頻和其他感測(cè)強(qiáng)化功能重迭在現(xiàn)實(shí)環(huán)境上以進(jìn)行互動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上以便互動(dòng)與操縱。

室內(nèi)定位： 想在 GPS 數(shù)據(jù)不足或缺乏，無(wú)法提供正確及可靠定位數(shù)據(jù)的地方建立室內(nèi)定位功能，這時(shí) MEMS 慣性測(cè)量單元就會(huì)扮演重要角色。 行人航位推算(PDR)是室內(nèi)定位功能的主要構(gòu)件，主要是靠傳感器提供正確數(shù)據(jù)，才能計(jì)算新的位置和方位。 慣性測(cè)量單元的效能和準(zhǔn)確度，對(duì)行人航位推算解決方案的準(zhǔn)確度來(lái)說(shuō)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

最新型的慣性測(cè)量單元提供低噪聲陀螺儀與加速儀，以此解決這方面的問(wèn)題。 從前面的表1可看出加速儀和陀螺儀的低噪聲位準(zhǔn)。

2.4 嵌入式運(yùn)算法有助于縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間

MEMS 慣性測(cè)量單元的嵌入式特性，讓部分應(yīng)用可以免除程序代碼開(kāi)發(fā)的必要。 有了這些功能，軟件工程師便不必為了嵌入應(yīng)用撰寫(xiě)程序代碼，有助于縮短應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)周期。 舉例來(lái)說(shuō)，過(guò)去計(jì)步器應(yīng)用程序需要硬件和軟件工程師花上好幾個(gè)月、甚至數(shù)年開(kāi)發(fā)程序代碼并進(jìn)行測(cè)試。 然而現(xiàn)在只要利用嵌入了計(jì)步器運(yùn)算法的MEMS慣性測(cè)量單元就能大幅減少這方面的工作，工程師只需在裝置緩存器中設(shè)定計(jì)步器應(yīng)用程序相關(guān)參數(shù)即可。

現(xiàn)代 MEMS 慣性測(cè)量單元的設(shè)計(jì)，已完全適用于 Android 系統(tǒng)并提供以下晶載功能：

2.4.1事件偵測(cè)中斷(完全可組態(tài))

慣性測(cè)量單元提供事件偵測(cè)中斷功能，可幫助工程師建置各種應(yīng)用而無(wú)需開(kāi)發(fā)任何程序代碼。 嵌入的事件偵測(cè)中斷如下：

1.自由掉落： 只利用加速儀數(shù)據(jù)。 如果所有三個(gè)軸的加速都低于預(yù)先設(shè)定的臨界值，就會(huì)產(chǎn)生中斷。

2.喚醒： 當(dāng)至少一個(gè)軸的加速超過(guò)預(yù)先設(shè)定的臨界值，就會(huì)產(chǎn)生中斷。

3.6D 與 4D 定向偵測(cè)： 只利用加速儀數(shù)據(jù)，而且有能力偵測(cè)裝置在空間中的方位，讓節(jié)能程序?qū)嵤┢饋?lái)更為簡(jiǎn)易，手持裝置也能自動(dòng)進(jìn)行影像旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)裝置從一個(gè)方位換到不同方位，就會(huì)產(chǎn)生中斷。 為了辨識(shí)方位的變化，必須符合以下?tīng)顩r：

· 有一軸高于臨界值，兩軸低于臨界值(已知區(qū)域)

· 已知區(qū)域和先前不同。

可通過(guò)嵌入慣性測(cè)量單元的專用緩存器來(lái)配置臨界值。

4.單擊與雙擊： 裝置經(jīng)過(guò)配置后，只要任何方向遭到敲擊(單次或雙次)就會(huì)在專用針腳上輸出中斷訊號(hào)。 開(kāi)發(fā)人員可自行配置臨界值和用來(lái)辨識(shí)雙擊的兩個(gè)事件間隔時(shí)間。 建議的單擊和雙擊輸出速率(ODR)為400Hz和800Hz。

5.喚醒到休眠： 利用狀態(tài)的變化辨識(shí)活動(dòng)/休眠(又稱作活動(dòng)/無(wú)活動(dòng))。 用戶設(shè)定輸出速率后，如果特定時(shí)間內(nèi)所有三軸的加速數(shù)據(jù)都低于特定臨界值，裝置就會(huì)進(jìn)入喚醒到休眠(Wake-to-Sleep)模式(裝置最低輸出速率12Hz )。 如果裝置進(jìn)入休眠(無(wú)活動(dòng))模式，且至少有一軸的加速超過(guò)臨界值，那么裝置就會(huì)進(jìn)入休眠到喚醒模式(又稱為喚醒)。

以上所有功能均可在低于 1600Hz 的輸出速率下并行且正確運(yùn)作。 每個(gè)事件都可透過(guò)裝置的兩個(gè)中斷針腳(INT1和INT2)產(chǎn)生中斷訊號(hào)。

2.4.2 能耗可忽略且效能極高的特定 IP 區(qū)塊

為了近一步降低系統(tǒng)現(xiàn)有整體能耗，同時(shí)大幅節(jié)省開(kāi)發(fā)人員所需時(shí)間，新款的慣性測(cè)量單元還包含部分嵌入式 IP 區(qū)塊。 以下為兩種廣為使用的功能：

計(jì)步器功能：步伐偵測(cè)器和步伐計(jì)算器： 嵌入的計(jì)步器只利用加速儀數(shù)據(jù)。 它能在偵測(cè)到步伐時(shí)產(chǎn)生中斷。 還會(huì)計(jì)算步伐事件，最多能儲(chǔ)存65535步(16位)。 步伐數(shù)目的重設(shè)和運(yùn)算法重設(shè)是各自獨(dú)立的。 最低臨界值和操作全規(guī)模范圍均可自行配置。

傾斜： 傾斜功能已置于硬件中，只利用加速儀數(shù)據(jù)以同時(shí)達(dá)到超低能耗和穩(wěn)健度的目標(biāo)。 它的根據(jù)是，每次裝置傾斜度改變就會(huì)觸發(fā)事件。 若要客制化用戶體驗(yàn)，可透過(guò)下列方式配置傾斜功能：

· 可程序的平均窗口/事件時(shí)間。

· 可程序的中斷事件產(chǎn)生角度臨界值(默認(rèn)為 35° )。

當(dāng)裝置啟動(dòng)至少兩秒后，傾斜度改變 35 度以上，事件就會(huì)產(chǎn)生中斷。 傾斜功能可用在不同情境。 舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)手機(jī)放在口袋里，且用戶由坐姿改為站姿，或從站姿改為坐姿時(shí)，就會(huì)觸動(dòng)中斷功能。 不過(guò)當(dāng)手機(jī)放在口袋中而用戶正在行走、跑步或爬樓梯，則不致觸動(dòng)中斷功能。

2.5 以慣性測(cè)量單元做為傳感器中樞

最新型慣性測(cè)量單元最主要的優(yōu)點(diǎn)之一，就是嵌入式的傳感器中樞功能。 慣性測(cè)量單元提供硬件彈性空間，能以不同模式鏈接針腳和外部傳感器，以此擴(kuò)充慣性測(cè)量單元的功能性。 傳感器中樞最多可提供6個(gè)傳感器使用：2個(gè)內(nèi)部傳感器(加速儀和陀螺儀)和4個(gè)外部傳感器。 下圖是以慣性測(cè)量單位做為傳感器中樞的圖解。 慣性測(cè)量單元提供主要的I2C組態(tài)，以鏈接外部傳感器并收集數(shù)據(jù)。 兩個(gè)內(nèi)部傳感器所收集到的數(shù)據(jù)，可同時(shí)儲(chǔ)存在嵌入式FIFO里。 有兩種選項(xiàng)可觸動(dòng)主要的I2C，從外部傳感器收集數(shù)據(jù)：

1) 和內(nèi)部數(shù)據(jù)備妥(data-ready)信號(hào)(加速儀或陀螺儀)達(dá)成同步。

2) 跟來(lái)自其中一個(gè)傳感器的外部信號(hào)達(dá)成同步(專用PAD)。

這種傳感器中樞的優(yōu)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)連貫、數(shù)據(jù)同步、布局與選路更為簡(jiǎn)易，而且能降低整體系統(tǒng)能耗。

3.結(jié)論

采用 MEMS 的最新型慣性測(cè)量單元，不但功能大為提升，還能幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員大幅縮短設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 這類慣性測(cè)量單元的價(jià)格已大幅降低，效能和嵌入式功能卻大大提升。 新型的慣性測(cè)量單元已協(xié)助硬件和軟件工程師實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用概念。 新一代的MEMS慣性測(cè)量單元將繼續(xù)提供新增功能并提升效能，以滿足系統(tǒng)工程師和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越高的期待。